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1 革新的環境技術シンポジウム 2008 年 12 月 8 日 バイオリファイナリー産業の 技術開発動向と将来展望 ( 財 ) 地球環境産業技術研究機構 (RITE) バイオ研究グループ 湯川 英明

2 バイオリファイナリー産業 バイオマスからのエネルギー 化学品生産 米国 : トップランナー 特許制圧進む 原料バイオマス 食料資源 非食料資源

3 食料との競合 食資源価格の高騰 ( 趨勢 ) 食料資源 ( トウモロコシ等 ) 非食料資源 ( セルロース類 ) 企業の CSR ( 生き残り ) 技術革新 ( システムバイオロジー )

4 米国バイオリファイナリー状況 バイオ燃料推進 石油化学からグリーン化学への変革

5 米国の戦略 1990 年前後より IT 産業とバイオリファイナリー産業を 21 世紀の新規産業と位置付け 国による重点支援 1999 年 8 月 大統領令にて更なる国の支援方針明確化 9.11 事件 原油高騰 環境意識の高まり バイオテクノロジーの急進展 ( システムバイオロジー ) 脱石油 (National Security 温暖化対策) 環境技術でリード 農業活性化 新規雇用

6 バイオ燃料 : 米国における状況 Sustainability? バイオ燃料の 光と影 温暖化対策としての認識 CO 2 削減効果の定量化

7 セルロース原料バイオエタノール 温暖化対策として有効性認識 Well to Wheel 評価 エタノール 1l 使用 1.7 kg CO 2 削減 - Science, Vol. 311, P. 506, 27 January 2006 Ethanol Can Contribute to Energy and Environmental Goals - Argonne National Laboratory レポート 7 November 2006 Fuel-Cycle Assessment of Selected Bioethanol Production Pathways in the United States

8 運輸部門における GHG 削減 : 米国 at 2030 技術削減量 ( 億トン ) セルロース系バイオ燃料 1.00 燃費向上 ( 乗用車 ) 0.95 燃費向上 ( 軽トラック ) 0.70 燃費向上 ( 大型トラック ) 0.30 プラグインハイブリッド ( 乗用車 ) その他 航空機燃費向上 燃料ロス防止策など 出典 :McKinsey & Company, Dec.2007

9

10 自動車の技術別 GHG 排出量 600 GHG 排出量 g/mile C GV ガソリン車 F GV G li ガソリン車 C E85 FFV(E85) C ll E85 FFV(E85) U S kwh 現在 ハイブリッド コーン セルロース ガソリン車将来 ( 燃費向上 ) 電気自動車 ( 発電 in 米国 ) 出典 :DOE(Argonne National Laboratory) GREET モデル

11 セルロース原料バイオ燃料 in 米国 今後の動向

12 バイオエタノール製造法 in 米国 Today 酵素分解 コーン澱粉 ( グルコース ) 醗酵エタノール Tomorrow ソフトバイオマスセルロース原料 前処理 酵素糖化 ( 混合糖 ) C 6 糖 C 5 糖 バイオ変換 Future ハードバイオマス ( 木質 )

13 コーン原料コスト コーン原料 US$1.28/Gallon (33.82C/L) FOB Plant Gate 生産コスト ( ネット ) $/Gal 原料価格 ( コーン ) エタノール加工費 * 一般管理費減価償却 DDGS- クレジット

14 セルロース原料法コスト $2.00 ($/gal) $ gal from ton ソフトバイオマス $0.00 ソフトバイオマス $35/ton

15 セルロース原料エタノール生産 Take off のシナリオ ( 米国 ) * 技術実証期 (~2010):~10 万 KL 生産 /site 国の補助金制度活用 ( ベンチャー等 ) 先行投資 ( 大手企業 ) * 技術改良期 (2010 年代前半 ) エネルギー作物の普及 生産菌育種 (C 6 &C 5 同時利用 ) 各工程の効率化 : 糖化 バイオ変換 回収 * 事業展開 (2010 年代後半 ) 2 億 KL 生産へ

16 セルロースエタノール実証計画 in 米国 企業生産開始時期醗酵方法生産規模 ( 万 kl/y) 酵素供給元微生物 POET(Broin) 2011 C5C6 同時 11.7 Novozymes Z. mobilis Verenium 段発酵 11.4 自社酵素 E.coli KO11 K. oxytoca BW34 Bluefire Ethanol Inc C5C6 同時 7.2 酸加水分解 Yeast Abengoa 段発酵 4.3 Novozymes, Genencor, Dyadic, DSM Dupont/Genencor J/V 2012 C5C6 同時商業スケール Genencor Z. mobilis Colusa Biomass Energy Corporation 段発酵 4.7 SunOpta Inc./GreenField Ethanol J/V Mascoma 2009 CBP 1.9 Genencor, 自社酵素 Pacific ethanol 段発酵 1.0 Novozymes Western Biomass Energy Novozymes Yeast Themophilic anaerobe ICM 2010 C5C6 同時 0.6 Novozymes SunEthanol Inc. CBP Clostridium phytofermentans CBP: consolidated bio-process

17 食料資源トウモロコシ / サトウキビ 非食料資源セルロース類 炭素数 6 ヶの糖 糖類 炭素数 5 ヶの糖 < バイオプロセス > バイオエタノール

18 微生物 炭素数 6 ヶの糖 炭素数 5 ヶの糖 バイオ燃料 バイオ化学品

19 食料資源 炭素数 6 ヶの糖 < バイオプロセス > バイオエタノール 全く別個のプロセス 非食料資源 炭素数 5 ヶの糖 炭素数 6 ヶの糖 バイオプロセス 激しい技術開発競争 バイオエタノール 特許制圧 (by 米国企業 )

20 C5 C6 混合糖利用の技術課題 Cellobiose (C 6 -C 6 ) Glucose (C 6 ) Xylose (C 5 ) Arabinose (C 5 ) 取り込み機構 L-arabinose D-xylose L-arabinose D-xylose L-ribulose L-arabitol L-ribulose-5-P D-xylulose L-xylulose 原核型 D-xylulose-5-P Xylitol D-xylulose D-xylulose-5-P 真核型

21 混合糖 (C6 C5 糖 ) 利用能の付与 特許 制圧

22 セルロースエタノール実証計画 in 米国 企業生産開始時期醗酵方法生産規模 ( 万 kl/y) 酵素供給元微生物 POET(Broin) 2011 C5C6 同時 11.7 Novozymes Z. mobilis Verenium 段発酵 11.4 自社酵素 E.coli KO11 K. oxytoca BW34 Bluefire Ethanol Inc C5C6 同時 7.2 酸加水分解 Yeast Abengoa 段発酵 4.3 Novozymes, Genencor, Dyadic, DSM Dupont/Genencor J/V 2012 C5C6 同時商業スケール Genencor Z. mobilis Colusa Biomass Energy Corporation 段発酵 4.7 SunOpta Inc./GreenField Ethanol J/V Mascoma 2009 CBP 1.9 Genencor, 自社酵素 Pacific ethanol 段発酵 1.0 Novozymes Western Biomass Energy Novozymes Yeast Themophilic anaerobe ICM 2010 C5C6 同時 0.6 Novozymes SunEthanol Inc. CBP Clostridium phytofermentans CBP: consolidated bio-process

23 C6, C5 糖の二槽発酵 Biomass C5 Sugars Fermentation Solid/Liquid Separation Liquid Hemi-sugars Pretreatment & hemicellulose hydrolysis Solids Cellulose + Lignin Detoxification C-5 Fermentation Ethanol Cellulose Hydrolysis Glucose Fermentation Product Recovery C6 Sugars Fermentation Lignin to Boilers

24 組換え Saccharomyces cerevisiae による混合糖の利用 Concentration (g/l) グルコース キシロース アラビノース Time (h) Gorwa-Grauslund, MF (Lund Univ.) et al. (2006) Microb Cell Fact, 5:18

25 RITE バイオプロセス 新規 革新技術コンセプト に基づくバイオプロセス vs. 既存のバイオプロセス JP-Patent 炭素数 6 ヶの糖 炭素数 5 ヶの糖 菌体触媒 INDIA 生産物 バイオ燃料バイオ化学品 分裂増殖非依存バイオプロセス

26 RITE バイオプロセス 内外企業 ( 複数 ) による 評価 のポイント 非食料 ( セルロース ) からの生産 混合糖類 (C6 C5 糖 ) の完全同時利用 醗酵阻害物質 への高度耐性 高度経済性 高 STY(Space/Time/Yield): 装置コスト 副生物完全抑制 : 収率 副生物完全抑制 : 原料コスト 精製コスト

27 RITE 菌 Corynebacterium glutamicum

28 セルロース原料法 RITE バイオプロセス特性 高速生産性 混合糖類 (C6 C5 糖 ) の同時利用能の付与 醗酵阻害物質 への高度耐性

29 混合糖利用能の付与 Cellulose Cellobiose (C 6 -C 6 ) Adaptive mutant for cellobiose uptake ability 1) Glucose (C 6 ) RITE strain Hemicellulose Xylose (C 5 ) Chromosomal integration for xylose metabolic ability promoter promoter 2) xyla xylb xylose isomerase xylulokinase Arabinose (C 5 ) Chromosomal integration for arabinose metabolic ability 3) arab araa arad L-arabinose isomerase L-ribulokinase L-ribulose-5-P-4-epimerase 1) Microbiology 149: ) Appl. Environ. Microbiol. 72: ) Appl. Microbiol. Biotechnol. 77:

30 混合糖完全同時利用 C6 糖による抑制を解除する特殊遺伝子機能を組込み RITE 菌

31 発酵阻害物質とは? Cellulose Hemicellulose Lignin 発酵阻害物質 O O CHO OH 前処理 酵素糖化 エタノール発酵阻害 エタノール発酵 Ethanol

32 主な阻害物質 バイオマス成分 セルロース Hexose リグニン ヘミセルロース Pentose Furans Phenols O Vanillin OCH 3 OH CH 3 O O 4-HB 4-hydroxybenzaldehyde OH O Syringaldehyde OCH 3 OH Acetic acid O OH O CHO Furfural HOH O 2 C CHO 5-HMF 5-hydroxymethyl- 2-furaldehyde E. Palmqvist, B. Hahn-Hägerdal Bioresource Technology 74 (2000) より改変

33 発酵阻害物質 の阻害機構? 発酵阻害物質 O O CHO OH RITE バイオプロセス 増殖阻害? or 目的生産物の代謝経路への阻害?

34 発酵阻害物質 の阻害機構? 発酵阻害物質 O O CHO OH RITE バイオプロセス 増殖阻害 Only

35 ホンダとの共同開発 RITE バイオプロセスの応用の一環として バイオエタノール製造 の早期工業化を図る

36 国内外企業との共同開発 RITE バイオプロセス バイオエタノール RITE-HONDA プロセス セルロース類 燃料 化学品 システムバイオロジーによる高生産性株の創製

37 < システムバイオロジー > 微生物改良法 の革新 旧来 突然変異の誘導 生産性の向上した mutant を選別

38 Pyr システムバイオロジー DNA mrna OH HO CH 2 OH O OH OH HO HO HO 蛋白質代謝物微生物 O O - Suc Mal (Iso)Cit PEP NADP G6P F6P F1P DHAP AKG ATP ADP 6PG BPG AMP 3PG NADH R5P NAD E4P Fum FBP NADPH Genome 解析 Transcriptome 解析 Proteome 解析 Metabolome 解析 Fluxome 解析 データ統合 代謝調節機構の 完全 理解 高生産性の新微生物創製

39 Arabinose Xylose Pentose Phosphate Pathway Glycolysis Glucose

40

41 システムバイオロジー関連論分数推移

42 Next Generation of Biofuel? セルロース原料バイオ燃料 研究開発ターゲット 米国 : バイオブタノール EU: バイオエタノール

43 次世代バイオ燃料 : バイオブタノール 期待される用途 : エタノール ブタノール混合燃料 航空機 ハイブリッド車 船舶 農 土木車輌 ディーゼルエンジン車

44 グリーン化学工業バイオ学触媒化学触媒セルロース類フ ロヒ レン化変換既存石化プラント 炭素数 6 ヶの糖 5 ヶの糖 バイオエタノール バイオプロパノール エチレン 自動車部材 電気製品部材 包装材

45 まとめ 我が国独自技術としての展開 RITE バイオプロセス バイオ燃料の大規模実用化 温暖化対策の 切札 ( 国内立地は 別の視点要 ) グリーン化学工業自動車 家電業界等の要望に応えるべく早期実用化

46 Host vector system - Agric. Biol. Chem. 54: J. Industrial. Microbiol. 5: Appl. Environ. Microbiol. 57: Res. Microbiol. 144: Biosci. Biotech. Biochem. 57: Appl. Microbiol. Biotechnol. (in press) Gene transformation methods - Mol. Microbiol. 11: C. glutamicum R - Mol. Gen. Genet. 245: Biotech. Lett. 17: Physiology of corynebacteria - DNA seq. 11: Biochem. Biophys. Res. Commun. 289: J. Biosci. Bioeng. 92: (Review) - Mol. Gen. Genomics. 271: J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 8: Microbiology 153: Appl. Microbiol. Biotechnol. 75: Microbiology 153: The cover of AEM - Appl. Microbiol. Biotechnol. 76: Microbiology 154: Mol. Microbiol. 67: J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 15: Appl. Microbiol. Biotechnol. 78: J. Bacteriol. 190: Appl. Environ. Microbiol. 74: Microbiology 154: Appl. Microbiol. Biotechnol. 81: J. Bacteriol. (in press) The cover of MM - Microbiology (in press) RITE bioprocess - Microbiology 149: J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 7: J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 8: Appl. Microbiol. Biotechnol. 68: Appl. Environ. Microbiol. 72: Appl. Environ. Microbiol. 73: Microbiology 153: Appl. Microbiol. Biotechnol. 77: Appl. Microbiol. Biotechnol. 77: Appl. Microbiol. Biotechnol. 78: Appl. Environ. Microbiol. 74: Appl. Microbiol. Biotechnol. 81: Appl. Microbiol. Biotechnol. 81: Appl. Microbiol. Biotechnol. (in press) Chromosome engineering methods - Appl. Environ. Microbiol. 71: Microbiology 151: Appl. Microbiol. Biotechnol. 67: Appl. Environ. Microbiol. 71: J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 8: Appl. Environ. Microbiol. 71: (Review) - Appl. Environ. Microbiol. 71: Appl. Microbiol. Biotechnol. 69: Appl. Environ. Microbiol. 72: Appl. Microbiol. Biotechnol. 74: Biosci. Biotechnol. Biochem. 71: Appl. Microbiol. Biotechnol. 77: Appl. Microbiol. Biotechnol. 79: (Mini-Review) Gene expression system - FEMS Microbiol. Lett. 131: Appl. Microbiol. Biotechnol. (in press)

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